[Embedded] 부트 로더(Boot loader)

부트로더란(boot loader)

부트로더란 장치에 생명을 불어넣고 부트 절차를 시작하는 것이다.

즉, 부트로더는 시스템을 시작시키고 운영체제 커널을 로드하는 것이다.

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부트로더가 하는 일

임베디드 리눅스 시스템에서 부트로더는 시스템을 기본 수준(basic level)으로 초기화하고 커널을 로드하는 2가지의 주요 작업을 수행한다.

전원을 켜거나 부트로더 코드의 첫 줄이 실행되면 시스템은 아주 최소 상태에 있다.

이때 DRAM 컨트롤러가 시작하지 않았기 때문에 주 메모리에는 접근할 수 없다.

 

마찬가지로 다른 인터페이스도 구성되지 않았기 때문에 NAND 플래시 컨트롤러,

MMC 컨트롤러 등을 통해 접근하는 저장소도 사용할 수 없다.

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결과적으로 시스템 부트스트랩은 몇 단계의 코드로 이루어지며, 각각의 시스템의 더 많은 부분을 작동시킨다.

부트로더의 마지막 동작은 커널을 램에 로드하고 그를 위한 실행 환경을 만드는 것이다.

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부트로더와 커널 사이의 인터페이스는 아키텍처 별로 다르며, 각각 2가지의 일을 한다.

1. 부트로더는 하드웨어 구성 정보를 담고 있는 구조체의 포인터를 전달한다.

2. 커널 커맨드라인의 포인터를 전달한다.

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커널이 실행을 시작하면 부트로더는 더 이상 필요가 없어지고 사용하던 메모리를 회수할 수 있다.

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부트로더의 부수작업은 부트 구성을 업데이트하고, 새로운 부트 이미지를 메모리에 로드하고,

진단 기능을 실행하는 유지보수 모드를 제공한다.

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임베디드 시스템 부팅 과정

대부분의 임베디드 코어의 ARM, x86/x86_64의 설계는

UEFI(Universal Extensible Firmware Interface) 표준에 기반을 둔 펌웨어를 갖고 있다.

UEFI란 통일 확장 펌웨어 인터페이스로 운영 체제와 플랫폼 펌웨어 사이의 소프트웨어 인터페이스를 정의하는 규격이다.

기존의 BIOS를 대체할 목적으로 개발되었고, BIOS 대신 사용되고 있다.

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부트 순서

1. ROM Code

리셋이나 전원을 켠 후, 실행되는 코드는 SoC 칩상에 저장되어야 하는데, 이를 롬 코드 라고 한다.

롬 코드는 제조 시 칩에 프로그램되므로, 비공개이며 오픈소스 대용품으로 대체할 수 없다.

DRAM 구성은 장치별로 매우 달라 메모리 컨트롤러를 초기화하는 코드는 보통 담고 있지 않으므로, 메모리 컨트롤러가 필요 없는 SRAM만 사용할 수 있다.

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롬 코드는 소량의 코드를 사전에 프로그램된 몇 개의 위치 중 하나로부터 SRAM으로 로드할 수 있다.

대부분의 임베디드 SoC는 비슷한 방식으로 동작하는 롬 코드를 갖고 있다.

SRAM이 U-Boot 같은 완전한 부트로더를 로드할 정도로 충분히 크지 않은 SoC에는

SPL이라는 중간 로더가 있다.

롬 코드가 끝날 때 쯤 SPL이 SRAM에 존재하고 롬 코드는 SPL 코드의 시작으로 점프한다.

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대부분의 임베디드 SoC 설계는 약간의 SRAM을 칩 안에 보유하고 있는데, 4KB 부터 다양한 사이즈가 있다.

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2. SPL(Secondary Program Loader)

SPL은 메모리 컨트롤러와 기타 TPL을 DRAM에 로드하기 위해 필요한

시스템의 필수적인 부분들을 시작해야 한다. SPL의 기능은 크기로 인해 제한되어 할 수 없다.

롬 코드처럼 사전에 프로그램된 플래시 장치 시작부터의 오프셋을 이용해 저장 장치로부터 프로그램을 읽을 수 있다.

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SPL에 파일시스템 드라이버가 내장되어 있다면, 디스크 파티션에서 u-boot.img 처럼 잘 알려진 파일 이름을 읽을 수 있다.

SPL은 보통 사용자와의 상호작용을 고려하지는 않지만, 버전 정보와 진행 메시지를 콘솔로 출력할 수 있다.

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3. TPL(Tertiary Program Loader)

U-Boot나 Barebox 같은 완전한 부트로더를 실행할 수 있다.

새로운 부트/커널 이미지를 플래시 저장소에 로드하고, 커널을 로드하고 부팅하는 등의

유지보수 작업을 수행할 수 있게 하는 간단한 커맨드라인 사용자 인터페이스가 있고,

사용자 개입 없이 커널을 자동으로 로드하는 방법이 있다.

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TPL까지의 작업이 끝나면, 커널이 메모리에서 시작되길 기다리고 있다.

임베디드 부트로더는 커널이 실행되면 메모리에서 사라지고,

시스템의 동작에 더 이상 관여하지 않는다.

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부트로더와 커널

부트로더가 제어를 커널로 넘길 때 기본 정보를 같이 넘긴다.

1. 기계 번호(machine number) : 장치 트리가 지원되지 않는 파워 PC와 ARM 플랫폼에서 SoC 종류를 식별하기 위해 사용

2. 하드웨어의 세부사항 : 최소한 물리적인 램의 크기와 위치, CPUI Clock 속도 등

3. 커널 커맨드 라인 : 암호화되지 않은 아스키 문자열로

4. 장치 트리 바이너리의 위치와 크기

5. 초기 램 디스크의 위치와 크기

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부트로더의 종류

부트로더의 종류는 아키텍처 별로 다르며, 주요 아키텍처 별로 사용할 수 있는 부트로더의 종류가 여러 가지가 있다.

부트로더 이름	지원되는 주요 아키텍처
Das U-Boot	ARC, ARM, Blackfin, Microblaze, MIPS, Nios2, OpenRiec, 파워PC, SH 등
Barebox	ARM, Blackfin, MIPS, Nios2, 파워PC 등
GRUB 2	x86, x86_64
Little Kernel	ARM
RedBoot	ARM, MIPS, 파워PC, SH 등
CFE	브로드컴 MIPS
YAMON	MIPS